Posobie_TKM

творе серной кислоты для удаления окалины с последующей промывкой), после удаления окалины на поверхность наносят подсмазочный слой (путем омеднения, фосфотирования, известкования) с целью лучшего сцепления со смазкой и снижения коэффициента трения; волочение (заготовку последовательно протягивают через ряд постепенно уменьшающихся отверстий); отжиг (для устранения наклепа); отделка готовой продукции (обрезка концов, правка, резка на мерные длины и др.).

Технологический процесс волочения осуществляется на специальных волочильных станах, и в зависимости от типа тянущего устройства различают станы с прямолинейным движением протягиваемого металла (цепной, реечный) и с наматыванием обрабатываемого металла на барабан (барабанный). Станы барабанного типа обычно применяются для получения проволоки. Число барабанов может доходить до двадцати. Скорость волочения достигает 50 м/с.

3.6.7. Объемная холодная штамповка

Холодную объемную штамповку выполняют на прессах или специальных холодноштамповочных автоматах. Основными ее разновидностями являются: высадка, выдавливание, объемная формовка, чеканка.

Высадка – образование на заготовке местных утолщений требуемой формы в результате осадки ее конца (рис. 3.27).

Заготовкой обычно служит холоднотянутый материал в виде проволоки или прутка из черных или цветных металлов. Высадкой изготавливают стандартные и специальные крепежные изделия (болты, винты, заклепки, шурупы и т.д.), гвозди, кулачки, валы-шестерни и т.д.

Рис. 3.27. Схема высадки

Расчет числа переходов производится в основном по соотношению длины высаживаемой части ho (определяемой из объема требуемого утолщения заготовки) и диаметра заготовки do, которое характеризует устойчивость к продольному изгибу. При [ho/do]<2,3 используют один переход, при [ho/do]<5 – два перехода, при [ho/do]<8 – три перехода. При большом количестве переходов происходит упрочнение металла, поэтому требуется отжиг. В качестве примера по-

111

следовательность переходов изготовления деталей показана на рис. 3.28: за три перехода (рис. 3.28, а) и за пять переходов (рис. 3.28, б).

Рис. 3.28. Последовательность переходов изготовления детали

Высадка в основном осуществляется на холодновысадочных автоматах (ХВА), реже на прессах и горизонтально-ковочных машинах (ГКМ).

Выдавливание – получение сплошных или полых изделий, благодаря пластическому течению металла из замкнутого объема через отверстия соответствующей формы. Особенностью процесса является образование в очаге деформации схемы трехосного неравномерного сжатия, повышающего технологическую пластичность материала. Различают прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливание (рис. 3.29).

При прямом выдавливании металл течет из матрицы в направлении, совпадающем с направлением движения пуансона (рис. 3.29, а). Этим способом можно получить детали типа стержня, возможно, с утолщением. Путем введения дополнительного инструмента («иглы») возможно получение внутреннего контура (рис. 3.29, б). Этим способом можно получить различные профили, детали типа трубки с фланцем и т.д.

При обратном выдавливании металл течет в направлении, противоположном направлению движения пуансона, в кольцевой зазор между пуансоном и матрицей для получения полых деталей, в том числе с дном (рис. 3.29, в), или в полый пуансон для получения деталей типа стержня с фланцем (рис. 3.29, г).

При боковом выдавливании металл течет в боковые отверстия матрицы под углом к направлению движения пуансона (рис. 3.29, ж). Таким образом, можно получить детали типа тройников, крестовин и т.п. Для обеспечения удаления заготовок из штампа матрицу выполняют состоящей из двух половинок с плоскостью разъема, проходящей через осевые линии исходной заготовки и получаемого отростка.

При комбинированном выдавливании металл течет по нескольким направлениям (рис. 3.29, д, е). Возможны сочетания различных схем.

112

Рис. 3.29. Схемы выдавливания:

а, б – прямое; в, г – обратное; д, е – комбинированное; ж – боковое

Заготовки для выдавливания отрезают от прутков или вырубают из листа. Размер заготовок рассчитывают с учетом потерь на последующую обработку. Форма заготовки и ее размеры для полых деталей без фланца соответствуют наружным размерам детали; для деталей с фланцем – диаметру фланца; для деталей стержневого типа – размерам головки.

Выдавливание можно осуществлять и в горячем состоянии.

Объемная формовка – формообразование изделий путем заполнения металлом полости штампа. Схемы объемной формовки представлены на рис. 3.30.

Она производится в открытых штампах, где излишки металла вытекают в специальную полость для образования облоя (рис. 3.30, а), и в закрытых штампах, где облой не образуется (рис. 3.30, б). Формовку в закрытых штампах применяют реже из-за больших сложности и стоимости получения заготовок точного объема, необходимости использования более мощного оборудования и меньшей стойкости штампов. В закрытых штампах получают в основном детали из цветных металлов.

Объемной формовкой изготавливают пространственные детали сложных форм, сплошные и с отверстиями. Холодная объемная формовка требует значительных удельных усилий вследствие высокого сопротивления металла деформированию в условиях холодной деформации и упрочнения металла в процессе деформации. Упрочнение сопровождается снижением пластичности металла. Для облегчения процесса деформирования оформление детали расчленяется на

113

переходы, между которыми заготовку подвергают рекристаллизационному отжигу. Каждый переход осуществляют в специальном штампе, а между переходами обрезают облой для уменьшения усилия деформирования и повышения точности размеров деталей. Заготовкой служит полоса или пруток. В качестве оборудования используют прессы, однопозиционные и многопозиционные автоматы.

Рис. 3.30. Схемы объемной формовки:

а – в открытых штампах; б – в закрытых штампах

Чеканка – образование рельефных изображений на деформируемом материале. Осуществляется в закрытых штампах на чеканочных фрикционных и гидравлических прессах.

При холодной штамповке коэффициент использования материала достигает 95 %. При холодном деформировании формируется благоприятная ориентированная волокнистая структура металла, что придает деталям высокую усталостную прочность при динамических нагрузках. Это позволяет получать конструкции с меньшими размерами и металлоемкостью, чем у конструкций, полученных обработкой резанием, не снижая при этом их надежность. Но для холодной объемной штамповки требуется дорогостоящий специальный инструмент, что делает целесообразным ее применение только в массовом и крупносерийном производствах.

114

ГЛАВА 4. СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений в результате возникновения атомно-молекулярных связей между соединяемыми деталями при их нагреве и пластическом деформировании.

Основными преимуществами сварных соединений являются: экономия металла; снижение трудоемкости изготовления корпусных деталей; возможность изготовления конструкций сложной формы из отдельных деталей, полученных ковкой, прокаткой, штамповкой. Сварным конструкциям присущи и определенные недостатки: появление остаточных напряжений; коробление в процессе сварки; плохое восприятие знакопеременных напряжений, особенно вибраций; сложность и трудоемкость контроля.

Простота конструкций сварных соединений и их технологичность (по сравнению с механическими соединениями типа «винт-гайка» и клепаными), широкие возможности для автоматизации обработки заготовок, сборки и сварки обеспечили снижение трудоемкости изготовления изделий машиностроения. Применение сварки в машиностроении позволило более рационально использовать материалы с различными эксплуатационными свойствами, создавать комбинированные монолитные конструкции из кованых, штампованных и литых частей.

Сваркой соединяют не только металлические материалы в различных сочетаниях, но также и металлы с неметаллами и неметаллические материалы между собой (например, сталь – стекло, медь – керамика и др.). Сварка применяется во всех областях техники.

Качество сварных соединений и затраты на их выполнение для различных металлов зависят от применения разных видов и условий сварки. Свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным спецификой конструкции и условиями ее эксплуатации называется технологической свариваемостью, или просто свариваемостью.

Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Свариваемость материала является технико-экономическим показателем, который изменяется при изменении требований к сварным соединениям. Существуют разнообразные комплексы испытаний на свариваемость. Их содержание зависит от назначения и условий работы сварных соединений в конструкции. Чаще всего в них определяется чувствительность основного металла и металла шва к термомеханическому воздействию при сварке (склонность к росту зерна, закалке, образованию трещин, склонность к потере металлом антикоррозионных и других специальных свойств). Помимо испытаний специального назначения производятся комплексные (технологические) пробы, имитирующие реальные условия сварки.

115

4.1. Классификация способов сварки и сварных соединений

Существует более 70 технологических процессов сварки. В зависимости от способа образования физического контакта между деталями сварку разделяют на три группы.

Первую группу, называющуюся сваркой плавлением, составляют процессы, которые производятся с местным расплавлением соединяемых деталей. Кристаллизация расплавленного металла обеспечивает соединение деталей с помощью промежуточного элемента – литого металла шва.

Вторую группу, называющуюся сваркой давлением, составляют разновидности сварки, при которой сближение частиц на контактных поверхностях обеспечивается пластической деформацией выступов (неровностей), осуществляемой путем приложения к соединенным деталям внешнего давления.

Третья группа, называемая пайкой, включает в себя способы сварки, в процессе которой физический контакт между соединяемыми поверхностями достигается с помощью припоя – легкоплавкого жидкого металла, вводимого в зазор между твердыми деталями. В результате, как и при сварке плавлением, образуется литой соединительный шов.

Сварные и паяные соединения имеют сложное строение (рис. 4.1). Основным элементом, создающим неразъмное соединение с использованием сварки плавлением (рис. 4.1, а) и пайки (рис. 4.1, б), является сварной или паяный шов – участок соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла. В сварных соединениях, выполненных сваркой давлением, шов не имеет точного очертания; в них выделяют зону соединения – участок, в котором образовались межатомные связи (рис. 4.1, в).

Рис. 4.1. Схема строения соединений:

а – сваркой плавлением: 1 – литой металл шва, 2 – зона термического влияния, 3 – основной металл; б – пайкой: 1 – металл шва, 2 – зона термического влияния, 3 – основной металл; в – сваркой давлением: 1 – зона соединения,

2 – зона термомеханического воздействия, 3 – основной металл

При образовании сварного или паяного соединения нагреву и деформации неизбежно подвергается определенный объем основного (свариваемого) металла по обе стороны от шва (зоны соединения). В результате, по обе стороны от шва образуются зоны основного металла с измененной структурой и отличными от

116

первоначальных механическими свойствами, которые называются зонами термического влияния (ЗТВ).

Тип сварного соединения определяют взаимным расположением свариваемых элементов и формой подготовки (разделки) их кромок под сварку.

В зависимости расположения соединяемых деталей различают четыре основных типа сварных соединений: стыковые, нахлесточные, угловые и тавровые

(рис. 4.2).

Рис. 4.2. Основные типы сварных соединений

а – стыковое; б – нахлесточное; в – тавровое; г – угловое

Кромки разделывают в целях полного провара заготовок по сечению (рис. 4.3), что является одним из условий равнопрочности сварного соединения с основным металлом. Формы подготовки кромок под сварку подразделяют на V, K, X – образные. По характеру выполнения сварные швы могут быть односторонние и двухсторонние.

Рис. 4.3. Формы подготовки кромок под сварку:

а– V-образная; б – U -образная; в – X-образная; г – двусторонняя Х-образная

4.2.Особенности структуры и свойств сварных соединений

Сварное соединение состоит из участков с неодинаковым химическим составом и различной структурой. Характер изменений структуры сварных швов объясняется сопоставлением линии максимальных температур нагрева основного металла в отдельных точках околошовной зоны с диаграммой состояния сплава. Если перенести с диаграммы Fe–Fe3C положение критических точек на линию максимальных температур и на сварное соединение, то в зоне сварного соединения можно выделить несколько участков с характерной структурой

(рис. 4.4).

Процесс образования шва при сварке плавлением включает расплавление

117

основного металла, смешение наплавляемого электродного металла с расплавленным основным – образование металла шва, кристаллизацию жидкого металла шва (первичная кристаллизация) и кристаллизацию в твердом металле шва при его остывании (вторичная кристаллизация), наблюдаемую только в сплавах с аллотропическими превращениями. В сварном шве, так же, как и в слитках, при кристаллизации развивается ликвация – неравномерность в распределении элементов сплава (S, P, C) в шве, обусловленная большей растворимостью элемента в жидкости, чем в твердой фазе.

Рис. 4.4. Схема строения основного металла в зоне термического влияния для стали, содержащей 0,23 % углерода:

1 – область температур, вызывающих перегрев стали;

2 – линия максимальной температуры нагрева зоны термического влияния

Непосредственно к сварному шву примыкает участок I, металл которого в процессе сварки нагревался от температуры начала интенсивного роста зерна аустенита (1100-1200°С) до температуры плавления. Поэтому на участке I основной металл имеет по сравнению с исходной более крупную структуру. При длительном перегреве возможно образование так называемой видманштетовой структуры (крупные зерна перлита и иглообразного феррита).

Зона перехода от оплавленных зерен основного металла к кристаллитам шва называется зоной сплавления (ширина 0,08-0,2 мм). Наиболее характерным свойством металла с такой структурой является пониженная ударная вязкость. Участок I – участок крупного зерна или перегрева. На участке II металл в процессе сварки нагревался выше температуры критической точки Аc3, но ниже температуры перегрева. Переход при нагревании критической точки Ac1 сопровождается образованием мелкого зерна аустенита. Растворение феррита в аустените при нагревании от точки Ac1 до точки Ac3 приводит к росту зерен аустенита. Поэтому при охлаждении на участке II образуется мелкозернистая структура, обеспечивающая металлу более высокую (по сравнению с исходной) вязкость. Участок II

118

называют участком мелкого зерна. Укрупнение зерна основного металла на участке перегрева I сопровождается уменьшением его пластичности и ударной вязкости; измельчение зерна на участке II приводит к повышению этих характеристик. Характеристики прочности (твердость металла, временное сопротивление, предел текучести) несколько снижаются на участке измельченного зерна II, но всегда возрастают на участке перегрева I. Повышение прочности металла вблизи шва объясняется тем, что он в процессе сварки подвергается не термической, а термопластической обработке (претерпевает сначала пластическое сжатие, а затем пластическое растяжение).

На участке III (нагрев в интервале критических точек Ac1–Ac3) происходит неполная перекристаллизация: зерна феррита остаются в исходном состоянии, а зерна перлита измельчаются. Участок III – это переходная область к основному металлу. Если сварке подвергается сталь или другой сплав, механические свойства которого обеспечиваются путем закалки и низкого отпуска, то в околошовной зоне наблюдается участок отпуска IV (на котором металл нагревался ниже точки Ac1) с пониженной твердостью и временным сопротивлением разрыву.

4.3. Сварка плавлением

Сварка плавлением осуществляется путем нагрева металла до жидкого состояния в месте соединения деталей. Источник энергии и способ ее преобразования в теплоту оказывают решающее влияние на размеры и форму шва, следовательно, и на свойства сварных соединений. Высокая химическая активность расплавленного металла делает в большинстве случаев недопустимым контакт металла с воздухом, поэтому во избежание нежелательного изменения его химического состава сварку плавлением выполняют с применением защиты металла от воздуха. Основными разновидностями сварки плавлением являются газовая, дуговая, плазменная, электрошлаковая, лазерная и др.

4.3.1. Газовая сварка

Газовая сварка обычно выполняется вручную и осуществляется пламенем сжигаемых с помощью специальной горелки горючих газов (рис. 4.5). Пламя плавит металл и защищает его от воздуха. В качестве горючего газа в основном применяют ацетилен (С2Н2), окислителем служит чистый кислород. Ацетилен, сгорая в кислороде, дает наивысшую температуру пламени (3100-3200°С) по сравнению с другими горючими газами (водородом, парами бензина и др.) и обеспечивает наиболее высокую производительность сварки.

Основными элементами для проведения газовой сварки являются газовая горелка (рис. 4.5), в которой происходит смешивание горючего газа и окислителя и предусматривается возможность регулировки подачи газа (вентили); газовые шланги; редуктор давления с входным и выходным манометрами, закрепленными (наворачиваемыми) на газовом баллоне. Газовый баллон предназначен для

119

хранения и транспортировки газа и представляет собой толстостенный цилиндр, способный выдерживать высокое давление газа. Крясятся в цвета, соответствующие заправляемому газу (например, ацетилен – белый, кислород – голубой, аргон

– черный и т.д.).

Для защиты сварочной ванны от атмосферы используют инертные газы (гелий, аргон, углекислоту и т.д.). В этом случае на газовую горелку помимо горючего газа и окислителя так же подается инертный газ, причем его подача осуществляется поверх основного пламени.

В машиностроении газовая сварка применяется в основном при проведении ремонтных работ, также при восстановлении деталей. Качество сварных соединений и производительность газовой сварки значительно ниже, чем дуговой.

Рис. 4.5. Схема газовой сварки:

1, 2 – свариваемые детали; 3 – ванна жидкого металла; 4 – металл твердого шва; 5 – горелка; 6

– ацетилено-кислородное пламя; 7 – ядро пламени; 8 – присадочный материал (проволока)

4.3.2. Электрическая дуговая сварка

Электрическая дуга – самый универсальный и распространенный источник теплоты, используемый для сварки плавлением. В большинстве случаев применяют дугу прямого действия (дуга горит между электродами и изделием), реже – косвенного действия (дуга горит между электродами, располагающимися над изделием). В машиностроении преимущественно применяются дуга прямого действия и плавящиеся электроды.

Дуговую сварку классифицируют по способу защиты дуги и расплавленного металла (сварка под флюсом, электрошлаковая сварка, сварка в среде защитных газов). По степени механизации процесса дуговую сварку подразделяют на ручную и автоматическую.

120